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गतिज और स्थितिज ऊर्जा, कार्य और शक्ति कैलकुलेटर

गतिज ऊर्जा (½mv²), स्थितिज ऊर्जा (mgh), स्प्रिंग ऊर्जा, कार्य (Fd cos θ) और शक्ति (W/t), किसी भी चर के लिए हल, साथ में गिरने के बाद की चाल।

AI लेखन टूल से मसौदा तैयारअपडेट किया गया जाँचे गए उदाहरण: 8

आज़माएँ
ऊर्जा या कार्य
J
ऊर्जा या कार्य: 200,000 J
सार्थक अंक: 6; निकटतम; बराबर दूरी पर शून्य से दूर
द्रव्यमान
1,000kg
चाल
20m/s
ऊर्जा या कार्य
0.0555556kWh

20 m/s से चलते 1,000 kg के पिंड में 200,000 J गतिज ऊर्जा है; चाल दोगुनी करने पर यह चार गुनी हो जाएगी।

गतिज ऊर्जा बनाम चाल

0100,000200,000300,000400,0000102030चाल (m/s)ऊर्जा (J)200,000 J
गणना कैसे होती है S
  1. गतिज ऊर्जा

    E=12mv2=12(1,000)(20)2=200,000 JE = \tfrac12 mv^2 = \tfrac12(1{,}000)(20)^2 = 200{,}000\ \mathrm{J}

गतिज और स्थितिज ऊर्जा, कार्य और शक्ति कैलकुलेटर के बारे में

यांत्रिक ऊर्जा के आम प्रश्न छह सूत्रों से हल होते हैं: गतिज ऊर्जा ½mv², गुरुत्वीय स्थितिज ऊर्जा mgh, स्प्रिंग ऊर्जा ½kx², कार्य Fd cos θ, औसत शक्ति W ÷ t, और घर्षणरहित गिरावट के बाद की चाल √(v₀² + 2gh)। एक सूत्र चुनें, हल करने का चर चुनें, बाकी इनपुट बन जाते हैं।

ऊर्जा जूल में आती है, और 1 Wh (3,600 J) से ऊपर साथ में किलोवाट-घंटे का तुल्य मान भी; 1 kWh = 3.6 MJ। डिफ़ॉल्ट में 20 m/s (72 km/h) पर चलती 1,000 kg की कार में 200,000 J, यानी 0.0556 kWh ऊर्जा है; 40 m/s पर इसकी चार गुनी होगी।

स्थितिज ऊर्जा उस स्तर से मापी जाती है जिसे आप h = 0 कहें, इसलिए केवल ऊँचाई के अंतर मायने रखते हैं। गिरावट मोड घर्षण और वायु-प्रतिरोध की उपेक्षा करता है, इसलिए उसकी चालें वास्तविक गिरावट के लिए ऊपरी सीमा हैं।

गतिज ऊर्जा का सूत्र: KE = ½mv²

यह कैलकुलेटर छह सूत्र हल करता है: गतिज ऊर्जा, गुरुत्वीय स्थितिज ऊर्जा, स्प्रिंग ऊर्जा, कार्य, शक्ति और गिरने के बाद की चाल, और हर सूत्र में किसी भी राशि के लिए। डिफ़ॉल्ट में 20 m/s (72 km/h) से चलती 1,000 kg की कार की गतिज ऊर्जा 200,000 J है, यानी 0.0556 kWh।

गतिज ऊर्जा द्रव्यमान और चाल के वर्ग के गुणनफल का आधा है: KE = ½mv², जो जूल में आती है जब द्रव्यमान किलोग्राम में और चाल मीटर प्रति सेकंड में हो। 3 m/s से चलती 2 kg की गेंद में ½ × 2 × 3² = 9 J है। यह पूरी वस्तु के चलने की ऊर्जा है और प्रकाश की चाल से बहुत कम चालों पर लागू होती है।

चाल का वर्ग होता है, इसलिए चाल दोगुनी करने पर ऊर्जा चार गुनी हो जाती है। OpenStax का गतिज ऊर्जा वाला पाठ और उदाहरण हल करता है।

द्रव्यमान (kg)चाल (m/s)गतिज ऊर्जा (J)
100020200000
100040800000
239
100

20 m/s (72 km/h) पर 1,000 kg की कार में 200,000 J है; 40 m/s पर 800,000 J। वर्ग करने से पहले km/h को 3.6 से भाग देकर m/s में बदलें।

गतिज ऊर्जा से चाल या द्रव्यमान

पुनर्व्यवस्थित करने पर v = √(2KE/m) और m = 2KE/v²। 3,500 J गतिज ऊर्जा वाला 70 kg का धावक √(2 × 3,500 ÷ 70) = √100 = 10 m/s से दौड़ रहा है। कैलकुलेटर के उदाहरण में 100 J गतिज ऊर्जा वाली 0.145 kg की गेंद √(200 ÷ 0.145) = 37.14 m/s से चलती है।

विराम में रखी वस्तु की गतिज ऊर्जा शून्य है, द्रव्यमान कुछ भी हो, इसलिए चाल शून्य हो तो KE से द्रव्यमान नहीं निकाला जा सकता।

गुरुत्वीय स्थितिज ऊर्जा: PE = mgh

द्रव्यमान m को ऊँचाई h तक उठाने से PE = mgh संचित होती है। मानक गुरुत्व g = 9.80665 m/s² के साथ 50 kg को 10 m ऊपर उठाने पर 50 × 9.80665 × 10 = 4,903.325 J संचित होती है, लगभग 4.9 kJ।

ऊँचाई आपके चुने संदर्भ स्तर से मापी जाती है, जैसे फ़र्श। केवल स्थितिज ऊर्जा के अंतर मायने रखते हैं, इसलिए किसी प्रश्न में हर स्थिति के लिए एक ही संदर्भ लें। OpenStax का स्थितिज ऊर्जा वाला पाठ इसका कारण समझाता है।

स्प्रिंग ऊर्जा: E = ½kx²

कठोरता k वाली स्प्रिंग को x खींचने या दबाने पर उसमें E = ½kx² संचित होती है, जिसे प्रत्यास्थ स्थितिज ऊर्जा कहते हैं। 10 cm (0.1 m) दबाई गई 200 N/m की स्प्रिंग ½ × 200 × 0.1² = 1 J संचित करती है; 20 cm दबाने पर 4 J।

सूत्र हुक का नियम, F = kx, मानता है, जो तभी लागू है जब स्प्रिंग अपनी प्रत्यास्थ सीमा में रहे और मूल लंबाई पर लौट आए।

बल द्वारा किया गया कार्य: W = Fd cos θ

किसी वस्तु को दूरी d तक ले जाने वाला स्थिर बल F W = Fd cos θ कार्य करता है, जहाँ θ बल और गति की दिशा के बीच का कोण है। 5 m पर 100 N के लिए कार्य 0° पर 500 J, 60° पर 250 J, 90° पर शून्य और 180° पर −500 J है।

ऋणात्मक कार्य का अर्थ है कि बल गति का विरोध करता है, जैसे घर्षण और ब्रेक करते हैं। कार्य-ऊर्जा प्रमेय कहता है कि किसी वस्तु पर किया गया नेट कार्य उसकी गतिज ऊर्जा के परिवर्तन के बराबर है।

इसलिए 20 m/s से चलती 1,000 kg की कार को रोकने में −200,000 J का नेट कार्य लगता है। अगर ब्रेक स्थिर 8,000 N लगाते हैं, तो कार 200,000 ÷ 8,000 = 25 m में रुकती है।

शक्ति का सूत्र: P = W/t

शक्ति कार्य करने की दर है: P = W/t, वाट में, जहाँ 1 W का अर्थ 1 J प्रति सेकंड है। 60 s में 3,600 J देना 3,600 ÷ 60 = 60 W है। पुनर्व्यवस्थित करने पर W = Pt और t = W/P।

एक घंटे चलने वाला 100 W का उपकरण 100 × 3,600 = 360,000 J स्थानांतरित करता है, जो 0.1 kWh है। एक किलोवाट-घंटा 3,600,000 J है, और बिजली के बिल की एक "यूनिट" यही 1 kWh है। OpenStax का शक्ति वाला पाठ इस औसत शक्ति को तात्क्षणिक दर से अलग करता है।

गिरने के बाद की चाल: v = √(2gh)

वायु-प्रतिरोध न हो तो गिरने में खोई स्थितिज ऊर्जा गतिज ऊर्जा बन जाती है: mgh = ½mv², इसलिए द्रव्यमान कट जाता है। विरामावस्था से v = √(2gh)। 20 m की गिरावट √(2 × 9.80665 × 20) ≈ 19.81 m/s पर ख़त्म होती है।

प्रारंभिक चाल v₀ हो तो तल पर चाल √(v₀² + 2gh) है। टकराने की चाल ऊँचाई के वर्गमूल के साथ बढ़ती है: 80 m से, यानी चार गुनी ऊँचाई से, यह लगभग 39.61 m/s है, केवल दोगुनी। वास्तविक गिरावट में कर्षण के कारण चाल कम होती है।

आम ग़लतियाँ

  • चाल को km/h में छोड़ देना। ½mv² जूल तभी देता है जब चाल m/s में हो। 72 km/h वाली कार के लिए 20 की जगह 72 लेने से ऊर्जा 12.96 गुना अधिक आती है।
  • संदर्भ स्तर मिलाना। PE के प्रश्न में हर ऊँचाई एक ही शून्य से मापें।
  • θ को ज़मीन की ढलान मान लेना। W = Fd cos θ में θ बल और विस्थापन के बीच का कोण है।
  • शक्ति और ऊर्जा को एक समझना। वाट दर मापता है; जूल और किलोवाट-घंटा मात्रा मापते हैं।
  • हर चलती चीज़ पर ½mv² लगाना। घूमता पहिया घूर्णन ऊर्जा ½Iω² भी संचित करता है, और प्रकाश के निकट की चालों के लिए आपेक्षिक सूत्र चाहिए।

इनपुट और इकाइयाँ

  • सूत्र चुनें, फिर हल करने की राशि; बाकी राशियाँ इनपुट बन जाती हैं।
  • स्थितिज ऊर्जा और गिरावट मानक गुरुत्व 9.80665 m/s² लेते हैं, जब तक आप दूसरा g न दें।
  • ऊर्जा J, kJ, Wh, kWh या kcal में, शक्ति W, kW या hp में, और बल N, kN या lbf में दी जा सकती है। परिणाम SI इकाइयों में आते हैं।
  • कार्य का कोण 0° से 180° तक, डिग्री या रेडियन में।

चिह्न सहित गति और समय के लिए शुद्धगतिकी कैलकुलेटर इस्तेमाल करें; टक्करों के लिए संवेग और संघट्ट कैलकुलेटर। विद्युत शक्ति P = VI ओम के नियम वाले कैलकुलेटर में है, और बलाघूर्ण व rpm से इंजन की शक्ति अश्वशक्ति कैलकुलेटर से मिलती है।

हल किए गए उदाहरण

20 m/s पर 1000 kg की कार

राशि
गतिज ऊर्जा ½mv²
क्या निकालना है
ऊर्जा
द्रव्यमान
1000 kg
चाल
20 m/s
ऊर्जा या कार्य
200,000 J
ऊर्जा या कार्य
0.055556 kWh

जाँच का स्रोत: स्वतंत्र गणना

100 J वाली 0.145 kg की गेंद की चाल

राशि
गतिज ऊर्जा ½mv²
क्या निकालना है
चाल
ऊर्जा या कार्य
100 J
द्रव्यमान
0.145 kg
चाल
37.1391 m/s

जाँच का स्रोत: स्वतंत्र गणना

50 kg को 10 m ऊपर उठाना

राशि
गुरुत्वीय स्थितिज ऊर्जा mgh
क्या निकालना है
ऊर्जा
द्रव्यमान
50 kg
ऊँचाई
10 m
ऊर्जा या कार्य
4,903.33 J

जाँच का स्रोत: स्वतंत्र गणना

10 cm दबाई गई k = 200 N/m की स्प्रिंग

राशि
स्प्रिंग ऊर्जा ½kx²
क्या निकालना है
ऊर्जा
स्प्रिंग नियतांक k
200 N/m
खिंचाव या संपीडन x
10 cm
ऊर्जा या कार्य
1 J

जाँच का स्रोत: स्वतंत्र गणना

सवाल

गतिज ऊर्जा का सूत्र क्या है?

गतिज ऊर्जा KE = ½mv² है; द्रव्यमान किलोग्राम में और चाल मीटर प्रति सेकंड में हो तो परिणाम जूल में आता है। चाल का वर्ग होता है, इसलिए चाल दोगुनी करने पर ऊर्जा चार गुनी होती है: 1,000 kg की कार में 20 m/s पर 200 kJ और 40 m/s पर 800 kJ है। चाल के लिए पुनर्व्यवस्थित करने पर v = √(2KE ÷ m), इसलिए 100 J वाली 0.145 kg की गेंद 37.1 m/s से चलती है।

कार्य और शक्ति में क्या अंतर है?

कार्य किसी बल द्वारा स्थानांतरित ऊर्जा है, W = Fd cos θ, जूल में मापा जाता है; शक्ति बताती है कि यह स्थानांतरण कितनी तेज़ी से होता है, P = W ÷ t, वाट में मापी जाती है, जहाँ 1 W = 1 J/s। 50 kg को 10 m ऊपर उठाने में 4,903 J लगते हैं, चाहे कैसे भी उठाएँ; 5 s में उठाने के लिए 981 W और 60 s में 81.7 W चाहिए।

एक किलोवाट-घंटे या एक किलोकैलोरी में कितने जूल होते हैं?

एक किलोवाट-घंटा 3,600,000 J है, क्योंकि यह 3,600 s तक लगातार 1,000 W है। एक किलोकैलोरी, यानी भोजन की कैलोरी, 4,184 J है; इसमें NIST SP 811 में दी गई ठीक 4.184 J वाली ऊष्मरासायनिक कैलोरी ली गई है। इसलिए 20 m/s पर चलती 1,000 kg की कार की 200,000 J ऊर्जा 0.0556 kWh, या लगभग 47.8 kcal है।

गिराई गई वस्तु किस चाल से ज़मीन से टकराती है?

वायु-प्रतिरोध के बिना टकराने की चाल v = √(2gh) है, द्रव्यमान कुछ भी हो। 20 m से गिरावट 19.81 m/s (71.3 km/h) पर ख़त्म होती है; 5 m से गिरावट 9.90 m/s पर। चाल ऊँचाई के वर्गमूल के साथ बढ़ती है, इसलिए चार गुनी ऊँचाई से चाल केवल दोगुनी होती है। वायु-प्रतिरोध वास्तविक चालें कम कर देता है, सबसे अधिक हल्की वस्तुओं और लंबी गिरावटों में।

स्प्रिंग कितनी ऊर्जा संचित करती है?

स्प्रिंग E = ½kx² संचित करती है, जहाँ k स्प्रिंग नियतांक (N/m में) और x मीटर में खिंचाव या संपीडन है। 10 cm दबाई गई 200 N/m की स्प्रिंग 1 J संचित करती है; 20 cm दबाने पर 4 J। सूत्र केवल प्रत्यास्थ सीमा में लागू है, जहाँ हुक का नियम F = kx लागू होता है और स्प्रिंग अपनी मूल लंबाई पर लौट आती है।

इस कैलकुलेटर के बारे में

KE=12mv2,PE=mgh,Es=12kx2,W=Fdcos⁡θ,P=Wt,vb=v02+2ghKE = \tfrac12 mv^2,\quad PE = mgh,\quad E_s = \tfrac12 kx^2,\quad W = Fd\cos\theta,\quad P = \frac{W}{t},\quad v_b = \sqrt{v_0^2 + 2gh}

स्रोत

  1. OpenStax University Physics Volume 1, ch. 7 Work and kinetic energy; ch. 8 Potential energy and conservation of energy
  2. HyperPhysics — Work, energy and power

संदर्भों से जाँच की गई

इस कैलकुलेटर में स्वतंत्र स्रोतों के उत्तरों वाले 8 हल किए गए उदाहरण शामिल हैं। ये परीक्षण समूह में चलते हैं और आप इन्हें यहाँ भी चला सकते हैं।

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